Energia cinética e potencial: Conceitos e exemplos
A descrição do movimento foi um grande passo para o avanço da física, e a forma de descrever a trajetória de corpos é a mesma desde a criação do cálculo de energia diferencial e integral.
Com o auxílio das ferramentas matemáticas, podemos prever a posição de determinado objeto no transcorrer do tempo, além de sua velocidade e aceleração.
Isso nos permitiu, por exemplo, calcular órbitas planetárias, a trajetória de cometas e também a trajetória de simples objetos se movendo na Terra.
Quando estudamos bombardeamento nuclear, usamos os conceitos do movimento clássico para calcular a trajetória das partículas, e posteriormente seu ângulo após a interação.
A grande parte dos fenômenos estudados em física são ditos sistemas isolados, ou seja, não perdem energia para o meio externo.
Isso implica, por exemplo, que se um bloco de gelo for isolado de todo o resto do universo, ele nunca derreterá, pois não pode trocar calor com o meio externo (pois este não existe aqui).
A conservação do momento também é muito utilizada na física, e pode ser validada com facilidade por de experimentos em laboratório.
O conceito de energia
A energia é um conceito muito abstrato, e sobre ela só podemos dizer quais são suas propriedades, e nada mais.
Quando foi questionado acerca da natureza, Richard Feynman, um dos maiores cientistas depois de Einstein, respondeu “não faço a menor ideia do que ela possa ser”.
De fato, não se sabe o que ela é, mas sabemos que em um sistema fechado ela deve se conservar, e que possui a capacidade de se transformar.
As transformações de energia são pouco exploradas no ensino médio, e geralmente o aluno é incitado a apenas utilizar as fórmulas dadas, sem entender seu conceito.
Por exemplo, quando temos um objeto em queda livre, a energia potencial relacionada com sua altura vai sendo convertida, aos poucos, em energia cinética, aumentando, gradualmente, sua velocidade.
Outro exemplo sobre a transformação de energia está nas espingardas de chumbinho, mais precisamente na mola que elas usam, pois quando você pressiona a mola, gera uma potencial, e ao soltá-la, potencial é transferida para o projétil, mas agora em forma de energia cinética.
Com essas ideias em mente, é muito importante que o aluno reflita sobre as transformações de energia que ocorrem em cada problema apresentado em sala.
Tudo em física pode ser expresso em relação a sua energia, e isso é verdade pois existe um formalismo matemático que usa apenas as energias cinética e potencial do objeto estudado, sem a necessidade de vetores, e consegue extrair toda a informação da trajetória.
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As energias cinética e potencial
Agora que você entende um pouco mais o que é energia, vamos começar a trabalhar nos conceitos de energias cinética e potencial.
A energia cinética está relacionada com a massa e a velocidade do objeto de estudo, e sua equação é dada por K = (½)mv².
Podemos ver, dessa forma, que a velocidade vai ao quadrado, ou seja, é nosso termo dominante na equação.
Nunca podemos nos esquecer de usar as unidades em SI, ou seja, a massa (m) em Kg, a velocidade (v) em m/s, dando, a assim, o valor em Joules (J).
Quanto à potencial, ela pode ser escrita de várias formas de acordo com o problema estudado, mas aqui nos restringimos apenas ao movimento de corpos.
Cada problema possui sua energia potencial específica, mas a grande parte só é apresentada no ensino superior de física, por isso não as abordaremos.
Em linha gerais, um corpo a uma altura h do solo possui energia potencial de P = mgh, onde g é a aceleração da gravidade e h é a altura do corpo.
O melhor jeito de pensar sobre energia potencial e cinética é por meio de recipientes, onde a energia total é a quantidade de água disponível.
Dessa forma, um objeto que está na altura máxima tem toda a “água” no recipiente potencial.
Conforme o objeto vai ganhando velocidade, a “água” da potencial passa para o recipiente de energia cinética.
Quando o objeto finalmente atinge o solo, a energia potencial está vazia, mas a cinética está cheia, ou seja, toda a energia potencial foi transformada em cinética.
Como a quantidade de energia não mudou, podemos definir mecânica do sistema, que nada mais é do que a soma das energias potencial e cinética.
Ela será constante sempre, e é dada por M = K + P.
Exemplo
Q: Uma bolinha está a 5 metros de altura em relação ao solo. Considere g = 10 e encontre sua velocidade quando atingir o solo.
R: Em 5 metros de altura, a bolinha tem potencial de P = m(10)(5), sendo essa toda do sistema.
Quando ela atingir o solo, toda essa energia potencial já terá sido convertida em cinética, portanto P = K, mas K = (½)mv², então 50m = (½)mv², logo v² = 100, v = 10 m/s.
A bolinha terá uma velocidade de 10 m/s quando atingir o solo.
